装配式多高层钢结构住宅防火技术研究与应用

姚源博（龙元明筑科技有限责任公司，上海 201106）

钢结构建筑体系作为装配式建筑三大体系之一，基于产业化程度高、自重轻、抗震性能好、构件截面小、绿色节能、施工周期短等优势，开始逐步从公共建筑向居住建筑延伸。2019 年住建部接连批复浙江、山东、四川、湖南、江西、河南、青海等 7 个省份开展钢结构装配式住宅建设试点，并已明确试点目标和试点范围，装配式钢结构住宅作为一种绿色环保建筑已被列为重点推广项目。

与传统混凝土现浇建筑体系相比，钢结构住宅的防火性能和构造技术要求更为严格，防火设计还需结合建筑功能需求、施工构造工艺及全装修交付，实现防火功能与施工便捷、造价可控的综合目标。研究钢结构住宅主体结构系统防火技术能够有效推进钢结构住宅的技术发展及推广应用。

1 钢结构住宅主体构件防火方案的优化选择

基于国家标准要求，钢结构建筑主体结构的防火保护可采用下列措施之一或其中几种的复（组）合：① 喷涂（抹涂）防火涂料；② 包覆防火板；③ 包覆柔性毡状隔热材料；④ 外包混凝土、金属网抹砂浆或砌筑砌体。这几类防火保护技术原理是依靠材料自身的低导热性、高隔热性和不燃烧性，阻隔热量传递，在被保护物体表面隔离热量，延缓钢材升温，从而保护钢构件的强度不丧失，延缓建筑的破坏倒塌，为人员疏散和灭火、营救争取宝贵的时间[1]。

针对多高层钢结构住宅主体结构采用的钢框架+支撑的体系，分析钢柱、梁及支撑可应用的新型防火材料及防火措施，对比其施工工艺、性能特点及适用范围，总结出与之对应的防火技术方案。不同防火材料性能特点及适用范围列于表 1。

表1 不同防火材料性能特点及适用范围

钢结构住宅选用防火材料应具备不燃、高温稳定性及较小的热传导系数等特征，易燃烧或者使用温度范围较低的泡沫玻璃、聚苯乙烯、泡沫塑料等材料不适用于防火功能。通过对不同材料制作试件并进行耐火试验检测，ALC 材料、膨胀蛭石、泡沫混凝土、硅酸钙、岩棉、石膏、保温砂浆、发泡陶瓷、胶粉苯颗粒等材料可作为防火材料。

基于不同防火材料特点，根据不同工况及施工便捷性综合考虑防火技术方案设计，并开展多高层钢结构住宅防火构造优化。针对不同部位形成与之对应的组合防火方案：钢柱部位拟采用内灌混凝土 ＋ 外涂厚型防火涂料，钢梁部位拟采用厚型防火涂料或“防火板 ＋ 厚型防火涂料”组合防火方式。并通过耐火试验对钢柱、钢梁防火技术方案及性能进行验证。

2 钢结构住宅主体构件防火方案试验测试

针对柱 ＋ 梁 ＋ 外墙节点试验试件，通过耐火试验对研究开发的组合防火方案、防火性能进行验证。基于规范和国内研究成果，在一定的设定参数下测定，设定的参数条件包括构造方式、保护层厚度、耐火极限时间要求[2]。各类防火材料的性能好坏主要体现在被保护的钢构件在火灾下的升温速度大小，因此主要记录并比较不同防火方案的钢构件在火灾下的时间-温度曲线，评价判断其耐火性能的好坏。同时观察防火材料及构造做法在受火过程中是否存在开裂、脱落等现象。

本次试验采用的升温加载方式基于 GB/T 9978《建筑构件耐火试验办法》中给出的升温加载制度，试验炉内的升温曲线为 ISO 834 标准升温曲线，该加载制度能使试件受到与一般建筑发生纤维类火灾时的温度作用相似，测试要求受火3 h 后，试件钢板的温度 ≤ 550℃。

在标准升温条件下，本次试验的试件升温缓慢，在排除保护层脱落的情况下，试验 90 min 前，温度基本保持在150℃ 以下；90～180 min，试件温度基本保持一定升温速度，最终温度保持在 280℃ 以内，构件防火保护层隔热效果良好，能满足构件防火保护要求。

对于柱 ＋ 梁 ＋ 外墙节点试件耐火试验现象进行分析，可以得出以下结论：对装配式住宅钢结构体系采用的组合防火保护方案进行 ISO 834 标准火灾下的柱 ＋ 梁 ＋ 节点防火保护传热试验，受火 180 min 后构件截面各测点温度均不超过 280℃，背火面测点温度未超过 100℃，表明防火保护隔热性能良好，能满足结构耐火性能要求，证明了柱 ＋ 梁 ＋墙节点防火保护方案切实可行。

3 结合建筑围护系统的防火技术创新应用

钢结构防火技术方案中为达到耐火极限 2 ～ 3 h 要求，防火涂料厚度一般为 25 ～ 35 mm，鉴于防火涂料强度不高，厚度及面积过大后，需分层喷涂并增加防脱、防裂构造措施，导致成本较高。如何与建筑围护系统进行结合，在满足结构防火功能的前提下，兼顾实用性、经济性及使用功能的实际需求,基于以上问题开展钢结构住宅防火围护一体化技术应用研究[3]。

（1）钢结构住宅外围护系统墙体采用内嵌或嵌挂组合方式时，钢柱与围护墙体接触的部位，可由内、外墙体与钢柱连接构造措施来实现建筑围护功能需求及防火性能要求，如图 1 所示，钢柱防火采用内灌混凝土+石膏基防火涂料组合方式，与内外墙体（ALC 条板）接触部位，不喷涂防火涂料，搭接处填充岩棉、专用砂浆等来实现围护功能指标，同时满足防火性能要求。

图1 钢柱 防火围护一体化构造示意图

（2）钢梁的防火围护一体化技术主要由楼板及内隔墙结合防火材料共同作用组成[3]，如图 2 所示，钢梁防火采用石膏基防火涂料，与内隔墙、楼板接触部位，不再喷涂防火涂料，楼板、内隔墙与钢梁接触部位的材料及构造措施可满足钢梁防火性能要求，有效减少防火涂料用量，提高施工效率，降低施工成本。

图2 钢梁 防火围护一体化构造示意图

（3）钢支撑部位结合建筑功能需求应用防火围护一体化技术，可采用防火涂料与砌体填充的组合方式实现防火性能指标，钢支撑与砌体墙连接处，由砌体包覆形成防火保护，其他部位喷涂石膏基防火涂料，节约材料、提高效率，降低成本，同时保证结构的完整性，达到防火性能要求。钢支撑部位防火构造示意图如图 3 所示。

图3 钢支撑部位防火构造示意图

4 结 语

装配式钢结构住宅建筑体系具有施工便捷、安全耐久、绿色低碳、品质保证、利于推进建筑工业化发展等明显优势，目前，在应用推广中还有一些技术问题有待解决。通过试验论证了钢柱采用内灌混凝土+石膏基的防火涂料，钢梁优先考虑石膏基防火涂料或防火板+石膏基防火涂料组合防火方式，钢支撑部位采用石膏基防火涂料与砌体填充的组合方式。相比于采用水泥基防火涂料，在材料性能、施工便利性、综合成本上具有显著优势。

本文通过分析装配式多高层钢结构住宅主体结构采用防火涂料及组合防火方式的构造工艺及试验结论，结合装配式钢结构住宅系统集成、一体化设计理念，研究开发防火围护一体化技术方案，分析了其构造组成、特点、性能指标，后续将持续完善形成钢结构住宅防火技术应用图集、工法等科技成果。希望有效促进装配式钢结构住宅建筑体系的发展，并且对设计和施工人员起到一定的参考指导作用。